Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad Técnica de Chemnitz, la Universidad Técnica de Dresde y el Forschungszentrum Jülich han sido los primeros en demostrar que es posible almacenar no sólo bits individuales, sino secuencias enteras de bits en dominios cilíndricos: diminutas áreas cilíndricas de unos 100 nanómetros. Según informa el equipo en la revista Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.202400251), estos descubrimientos podrían allanar el camino para nuevos tipos de almacenamiento de datos y sensores, incluso variantes magnéticas de redes neuronales.
«Un dominio cilíndrico, que los físicos también denominamos dominio burbuja, es una pequeña zona cilíndrica en una fina capa magnética. Sus espines, el momento angular intrínseco de los electrones que genera el momento magnético en el material, apuntan en una dirección específica. Esto crea una magnetización que difiere del resto del entorno. Imagínese una pequeña burbuja magnética con forma de cilindro flotando en un mar de magnetización opuesta», explica el profesor Olav Hellwig, del Instituto de Física de Haz de Iones e Investigación de Materiales del HZDR, al describir el objeto de su investigación. Él y su equipo confían en que tales estructuras magnéticas posean un gran potencial para aplicaciones espintrónicas.
En los bordes de este dominio cilíndrico se forman paredes de dominio, zonas de franja en las que cambia la dirección de la magnetización. En la tecnología de almacenamiento magnético, que el equipo de Hellwig está tratando de conseguir, será crucial controlar con precisión la estructura de espín en la pared de dominio, ya que su sentido horario o antihorario puede utilizarse directamente para codificar bits. Los investigadores también se centran en otro aspecto: «Nuestros discos duros actuales, con anchuras de pista de 30 a 40 nanómetros y longitudes de bit de 15 a 20 nanómetros, albergan aproximadamente un terabyte en una superficie del tamaño de un sello de correos. Estamos trabajando para superar esta limitación de la densidad de datos, ampliando el almacenamiento a la tercera dimensión», explica Hellwig.
La solución: metamateriales en 3D
Las estructuras magnéticas multicapa son una excelente forma de controlar la estructura de espín interna de las paredes de dominio, ya que las energías magnéticas implicadas pueden ajustarse combinando diferentes materiales y grosores de capa. El equipo de Hellwig utilizó bloques de capas alternas de cobalto y platino, separadas por capas de rutenio, y las depositó sobre obleas de silicio. El metamaterial resultante es un antiferromagneto sintético. Su característica especial es una estructura de magnetización vertical en la que los bloques de capas adyacentes tienen direcciones opuestas de magnetización, lo que da como resultado una magnetización neutra neta global.
«Aquí es donde entra en juego el concepto de memoria “racetrack”. El sistema es como una pista de carreras, a lo largo de la cual los bits se disponen como un collar de perlas. Lo ingenioso de nuestro sistema es que podemos controlar específicamente el grosor de las capas y, por tanto, sus propiedades magnéticas. Esto nos permite adaptar el comportamiento magnético del antiferromagneto sintético para permitir el almacenamiento no sólo de bits individuales, sino de secuencias enteras de bits, en forma de una dirección de magnetización de las paredes de dominio que depende de la profundidad», explica Hellwig. Esto abre la perspectiva de transportar estos dominios cilíndricos de múltiples bits a lo largo de estas autopistas magnéticas de datos de forma controlada, rápida y energéticamente eficiente.
También hay potencial para otras aplicaciones en magnetoelectrónica. Por ejemplo, pueden utilizarse en sensores magnetorresistivos o en componentes espintrónicos. Además, estos complejos nanoobjetos magnéticos tienen un gran potencial para implementaciones magnéticas en redes neuronales que podrían procesar datos de la misma forma que el cerebro humano.
Vía: HZDR
